楊永龍，褚金橋，吳迪帆，劉 偉

(1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司,湖北 武漢 430056;2.武漢市政環(huán)境工程建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430056)

1 引 言

近年來，越來越多的城市規(guī)劃地鐵建設(shè)，向地下空間發(fā)展已然成為一種趨勢。地下工程項目日益增多，面臨的工程隱患也越來越多，其中尤以地下巖溶對地鐵建設(shè)和道路橋梁施工的危害最大[1,2]。巖溶發(fā)育區(qū)主要是分布在溶洞、斷層破碎帶或軟弱地層中，尤其在灰?guī)r地區(qū)較發(fā)育，如果不能及時排除潛在威脅，施工過程中可能會引起溶洞塌方、涌水等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，威脅人員安全[3,4]。傳統(tǒng)的物探方法如高密度電法由于場地限制，很難在城區(qū)大規(guī)模應(yīng)用；探地雷達(dá)由于探測深度的限制也很難適應(yīng)復(fù)雜的工程勘察；而層析成像技術(shù)能夠利用地下介質(zhì)的物性差異，通過地震波在地下介質(zhì)的傳播特點探測地下結(jié)構(gòu)及巖性，對地下結(jié)構(gòu)成像，從而探查可能存在的異常區(qū)。并且這種技術(shù)具有高分辨率、高效率等優(yōu)點，被廣泛用于建筑、公路、鐵路等勘察中，常用的有地震波層析成像和電磁波層析成像[5-8]。由于巖石的地震波速度與巖性密切相關(guān)，便于利用地震波對介質(zhì)進(jìn)行成像，而巖石的電學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，與巖石裂隙中的流體密切相關(guān)，不利于刻畫構(gòu)造和巖性，而且電磁波在地下介質(zhì)中的速度由于太快而不易測量，衰減速度也遠(yuǎn)大于地震波衰減速度，探測深度非常有限[9-11]。因此在刻畫構(gòu)造和巖性方面，地震波CT優(yōu)勢比電磁波CT明顯，而在找水或者確定流體性質(zhì)方面，電磁波CT略勝一籌[11-13]。

20世紀(jì)70年代Chapman首次將醫(yī)學(xué)CT的原理應(yīng)用到地震勘探中，利用地震波在地下介質(zhì)中的傳播特征研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從此為地球物理學(xué)研究中的地震層析成像奠定了基礎(chǔ)。至20世紀(jì)80年代，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，地震層析成像理論以及數(shù)值模擬方法得到快速發(fā)展。至20世紀(jì)90年代，地震層析成像技術(shù)的應(yīng)用得到快速發(fā)展，并在地球物理勘探中得到了廣泛的應(yīng)用[14-16]。

本文結(jié)合跨孔地震CT技術(shù)研究現(xiàn)狀簡述了基本原理，然后結(jié)合實例，總結(jié)了實際工作中跨孔地震CT數(shù)據(jù)采集過程中儀器的選擇原則、最佳測量孔距、觀測系統(tǒng)的布置方法以及室內(nèi)數(shù)據(jù)處理的基本流程，最后結(jié)合跨孔地震CT技術(shù)在橋梁基礎(chǔ)勘察中的應(yīng)用，分析闡述了跨孔地震CT技術(shù)在巖溶探查中的優(yōu)勢。

2 跨孔地震CT技術(shù)原理

跨孔地震CT技術(shù)又稱為地震層析成像技術(shù)，是利用地震波在地下介質(zhì)中傳播速度差異，這種差異體現(xiàn)在地震記錄上就是旅行時的差異，再結(jié)合地震波傳播規(guī)律轉(zhuǎn)換為速度進(jìn)行成像，從而精確刻畫地質(zhì)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和物性特征[17，18]。其主要工作方法就是在一個孔中單點激發(fā)地震信號，在另一個孔中多道接收地震信號，組成一個密集交叉的射線網(wǎng)絡(luò)(圖1)，然后處理地震記錄得到地震波走時信息，再通過迭代反演獲得速度分布，重建地下介質(zhì)的二維縱波波速圖像[19-21]。地震波走時與介質(zhì)速度的關(guān)系可以表示為：

圖1 跨孔地震CT觀測系統(tǒng)Fig.1 Cross-hole seismic CT observation system

(1)

式(1)中，dl是射線路徑長度微分;ti是第i條射線的到達(dá)時間;v(x)是速度分布;R(v)是依賴于速度分布的射線路徑?？梢钥闯?，當(dāng)介質(zhì)速度發(fā)生變化時，地震波旅行時也會發(fā)生改變，將式(1)離散就得到式(2)。其中，lnm是第n條射線在第m個單元內(nèi)的路徑長度；Sm是第m個單元的慢度；tn是第n條射線的旅行時。

(2)

Si=1/vi，i=1,2,3...,n

(3)

由于地震CT技術(shù)是在孔間進(jìn)行測量，更接近目標(biāo)體，避免了地表噪聲和強(qiáng)衰減風(fēng)化層的干擾，能夠獲得包含豐富目標(biāo)體信息的高頻記錄，可以得到空間高分辨率的地震資料。

3 野外數(shù)據(jù)采集儀器選擇

在進(jìn)行野外地震CT數(shù)據(jù)采集過程中，主要使用的儀器有震源系統(tǒng)和地震信號接收系統(tǒng)。震源系統(tǒng)主要由震源激發(fā)元件和電纜組成，接收系統(tǒng)主要由水聽器和地震信號記錄儀以及微機(jī)系統(tǒng)組成。

3.1 震源激發(fā)系統(tǒng)選擇

井間地震震源激發(fā)不同于地表震源，需要能夠適應(yīng)不同的井眼，并且不具備破壞性，可移動性較強(qiáng)，而且需要激發(fā)寬頻帶、激發(fā)性能可靠、可連續(xù)重復(fù)穩(wěn)定激發(fā)的彈性波。目前井間震源大致可以分為兩類，一類是脈沖型，一類是可控型，包括了爆炸、電火花、機(jī)械脈沖等，雖然它們可以依據(jù)不同的原理激發(fā)地震波，但是在穩(wěn)定性、適應(yīng)能力以及可靠程度上存在很大的差異，每一種方法都有一定的局限性。市場上常用的井間震源多為德國SWG1005型自動電火花震源，可以產(chǎn)生1 000 J的能量，震源主頻高于500 Hz，適用于多次反復(fù)激發(fā)的情況，且輸出穩(wěn)定，激發(fā)性能可靠。

3.2 接收系統(tǒng)的選擇

井間地震信號接收系統(tǒng)雖然可以用常規(guī)VSP檢波器代替，但是仍然存在不足，因為井下檢波器應(yīng)該是滿足高分辨率的多道同步接收裝置。目前常用的井下地震信號接收系統(tǒng)主要有多道水聽器電纜、單級或多級三分量檢波器三種類型。單級三分量檢波器主要根據(jù)常規(guī)VSP檢波器改進(jìn)而來；水聽器電纜是懸掛在井下從而接收液體的壓力擾動，其采集效率非常高，響應(yīng)頻帶較寬，但是由于對管波的抑制能力較差，所以續(xù)至波中的干擾比較大，且很難消除；而多級三分量檢波器雖然能夠抑制管波，但是在記錄地震波的同時也會記錄機(jī)械簡諧振動，使得地震記錄中存在干擾，而且工作效率沒有水聽器電纜高。因此，在選擇井下地震信號接收系統(tǒng)時，應(yīng)該根據(jù)實際情況以及成像要求選擇合適的檢波器。目前，用得比較多的井下檢波器是德國AQ-2000型24道水聽器，頻響范圍為5～4 000 Hz。

4 觀測系統(tǒng)的布置

4.1 采集方式的選擇

井間地震數(shù)據(jù)采集一般分為單發(fā)單收或者單發(fā)多收兩種方式。無論哪種方式采集，最終都是對一條地震剖面進(jìn)行二維地震解釋或者是對多條地震剖面進(jìn)行三維地震解釋。目前最常使用的數(shù)據(jù)采集排列方式大致分為共激發(fā)點道集、共接收點道集、YO-YO道集和連續(xù)地震測井四種。實際工作中，為了提高工作效率，可以采用單孔激發(fā)多孔接收的模式采集地震數(shù)據(jù)。一般情況下，如果沒有特別要求，為了獲得高分辨率數(shù)據(jù)，井下地震數(shù)據(jù)采集排列布置在風(fēng)化層以下，而實際情況中，需要根據(jù)探測目的要求、現(xiàn)場條件、工期等因素而選擇合適的數(shù)據(jù)采集排列方式和采集模式。

4.1.1 共激發(fā)點道集

共激發(fā)點道集采用單發(fā)多收采集方式，即在一個孔中單點激發(fā)地震波，在其他孔中多點接收的排列方式，如圖2所示。這種采集方式適用于震源連續(xù)激發(fā)性能比較差且有多道檢波器的情況，具有采集速度快、工作效率高的優(yōu)點，但是在工作時，要求至少有一口作業(yè)井的深度超過目的層的深度，才能滿足要求。

4.1.2 共接收點道集

共接收點道集與共激發(fā)點道集相反，采用多發(fā)單收的方式，即在一個孔中移動式多點激發(fā)地震波，其他孔中單點接收地震波，如圖3所示。這種采集方式適用于震源連續(xù)激發(fā)性能較好并且僅有單級檢波器的情況，但是這種采集方式工作效率不高，對井深也有要求。

4.1.3 YO-YO道集

YO-YO道集采用震源和檢波器反向移動的排列方式采集地震數(shù)據(jù)，如圖4所示。這種采集方式適用于震源連續(xù)激發(fā)性能比較好，以及井深不符合要求的情況下，多用于反射波成像。

圖2 共激發(fā)點道集數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)Fig.2 Data acquisition and observation system of common shot point gathers

圖3 共接收點數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)Fig.3 Data acquisition and observation system of common receiving point gathers

圖4 YO-YO數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)Fig.4 Data acquisition and observation system of YO-YO gathers

圖5 連續(xù)地震測井?dāng)?shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)Fig.5 Data acquisition and observation system of continuous seismic logging gathers

4.1.4 連續(xù)地震測井

連續(xù)地震測井采用震源和檢波器等間距同向移動的排列方式采集數(shù)據(jù)，如圖5所示。這種采集方式適用于震源連續(xù)激發(fā)性能較好且單級檢波器的情況，但是工作效率不高而且對井深也有要求，主要用于解決地層的連續(xù)性問題。

4.2 測量孔距的選擇

在進(jìn)行野外跨孔地震CT數(shù)據(jù)采集時，為了獲得高分辨率的數(shù)據(jù)，不僅需要合適的觀測系統(tǒng)，還需要選擇合適的測量孔距。如果測量孔距偏小，不僅會增大系統(tǒng)的觀測誤差，也會使得工作量加大，成本增加；如果孔距太大，地震射線需要穿透的區(qū)域也會越大，可能遇到的異常也會更多，射線路徑變化劇烈，很難將不同的異常區(qū)分開，降低了方法的垂向分辨率。因此，在實際跨孔地震CT數(shù)據(jù)采集過程中，選擇合理的孔距是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵。另外，由于跨孔地震CT成果上的空間分辨率取決于排列參數(shù)以及地震波走時的拾取精度，只有當(dāng)目標(biāo)體的速度異常導(dǎo)致的地震波旅行時差異大于走時拾取誤差時，才能夠通過跨孔地震CT識別出來?？臻g分辨率的理論公式為：

(4)

其中，Δrmin是最小空間分辨大小；Va是異常區(qū)速度；Vb是基巖速度；Δt是地震波走時拾取誤差。由式(4)可知，目標(biāo)體的速度差異以及地震波走時的拾取誤差是影響空間分辨率的主要因素，而孔距的大小決定異常區(qū)域的大小以及地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量。一般而言，孔距越大，地震波穿透的異常區(qū)域越大，速度異常越大，地震數(shù)據(jù)質(zhì)量相應(yīng)會更低。

5 數(shù)據(jù)處理流程

跨孔地震CT技術(shù)的核心是地震波射線追蹤和層析成像反演，其主要理論基礎(chǔ)是最短射線路徑射線追蹤算法(SPR)和聯(lián)合迭代重建技術(shù)(SIRT)。目前大多數(shù)的井間跨孔地震CT數(shù)據(jù)處理軟件均是根據(jù)以上算法構(gòu)思，通過獲得地震波走時，求解不適定線性方程組，再多次遞歸迭代反演，從而獲得地下介質(zhì)二維速度分布，重建地下介質(zhì)縱波速度圖像，如圖6所示。具體的數(shù)據(jù)處理流程可以分為以下步驟：

圖6 跨孔地震CT數(shù)據(jù)處理流程Fig.6 Flow chart of cross-hole seismic CT data processing

1)獲得共激發(fā)點道集，拾取地震波初至?xí)r間；

2)計算射線平均速度；

3)根據(jù)實際鉆孔資料以及計算出來的射線平均速度建立初始速度模型；

4)應(yīng)用CT反演軟件，利用拾取的地震波初至?xí)r間以及初始速度模型，選擇合適的節(jié)點間隔(小跨距剖面可以采用0.5 m×0.5 m間隔，大跨距剖面可以采用1 m×1 m間隔)，計算地震波旅行時差，建立反演方程，進(jìn)行迭代計算；

5)利用反演得到的速度模型，結(jié)合工程地質(zhì)剖面，繪制波速影像圖。

6 橋梁基礎(chǔ)勘察應(yīng)用

6.1 工區(qū)概況

工區(qū)主要分布第四系全新統(tǒng)淤泥、淤泥質(zhì)土、填土層、黏性土、砂土層以及第四系殘積土層，下伏基巖為石炭系石灰?guī)r層。擬建橋梁橫跨河流，地表水體發(fā)育，地下水主要有第四系孔隙潛水、巖溶水和基巖裂隙水，且場地巖溶發(fā)育，溶洞均位于地下水水位以下。根據(jù)已有鉆探資料可知，溶洞內(nèi)有充填物一般為砂或粉質(zhì)黏土且飽和含水，溶洞內(nèi)縱波波速在1 500～2 000 m/s之間，而溶洞外的灰?guī)r區(qū)域縱波波速在4 000～6 000 m/s之間，且洞外巖體較洞內(nèi)完整，導(dǎo)致溶洞內(nèi)外介質(zhì)存在極為明顯的波速差異。而正是這種差異的存在，為進(jìn)行跨孔地震CT提供了良好的物性條件。

6.2 數(shù)據(jù)采集

本次采用使用德國Geotomographie公司IPG1005高壓儲能發(fā)射器一臺，發(fā)射能量2 000 J，發(fā)射主頻大于1 000 Hz，時間一致性誤差小于0.010 ms。接收探頭采用高靈敏度12道串式檢波器2套，每個接收探頭均采用20倍集成運算放大器進(jìn)行阻抗匹配、抑制道間串?dāng)_，頻率為5 Hz～-60 kHz。發(fā)射孔每隔1.0 m間距激發(fā)一次，接收孔水聽器以1.0 m間距設(shè)置接收點,保證每一個激發(fā)點在接收孔中進(jìn)行全孔接收，孔間距均不超過20 m，測孔平面布置如圖7所示,其中虛線圈表示設(shè)計橋墩位置。實線圈表示實際的鉆孔位置，跨孔CT原始記錄如圖8所示，跨孔CT數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，初至清晰(如紅色短線標(biāo)記處所示)，信號質(zhì)量高。

圖7 設(shè)計橋墩及基礎(chǔ)鉆孔平面布置Fig.7 Layout plan of designed pier and foundation drilling

圖8 跨孔CT原始地震記錄Fig.8 Original seismic records of cross-hole CT

6.2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量保證措施

1)為了保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，應(yīng)該避開人工干擾源，對于行車干擾比較嚴(yán)重的地方，可以選擇在深夜采集，并且根據(jù)實際情況適當(dāng)增加疊加次數(shù)。

2)在數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)該避開可能存在的人工電場(如高壓線、變電站)的干擾，如果無法避開，應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦黾硬杉螖?shù)，并確保地線接觸良好。

3)當(dāng)電信號干擾比較嚴(yán)重時，可以選擇繞線的形式觸發(fā)，同時確保震源附近沒有多余的線圈，避免由于電磁感應(yīng)引起地震信號初至跳躍嚴(yán)重。

4)對于探測目標(biāo)是土洞時，由于土洞(尤其是有填充時)與洞周圍的土速度差異不是特別大，而且土洞周圍的介質(zhì)密實程度呈現(xiàn)過渡形式，所以不宜選擇過大的測量孔距，一般在10～20 m的范圍內(nèi)，部分地區(qū)由于現(xiàn)場條件限制可以選擇超過20 m的孔距，但是不宜超過30 m；對于探測目標(biāo)是巖溶區(qū)域的情況，由于溶洞和圍巖的速度差異特別大，所以孔距可以適當(dāng)增大，一般選擇10～30 m的范圍，部分地區(qū)由于現(xiàn)場條件的限制可以選擇超過30 m的孔距，但是不宜超過40 m，孔距過大，地震波衰減快，有效信號減弱，數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證。

5)淺地表由于風(fēng)化嚴(yán)重，土層松散，對地震波的吸收衰減很嚴(yán)重，導(dǎo)致記錄的地震波已經(jīng)嚴(yán)重失真，地震波走時雜亂無章難以辨別。因此，實際工作中，要求孔深最好是孔距的2倍，觀測范圍一般為從最淺的基巖面往上1/2孔距(并至少有不低于5 m土層)至孔底。激發(fā)和接收的點距不宜超過需要探測的最小目標(biāo)體尺寸，一般取1 m，如有特別要求可以適當(dāng)增大或減小激發(fā)和接收點距。

6)成孔深度應(yīng)該大于實際測量深度，且兩相鄰測試孔之間的高差不宜超過5 m，成孔后應(yīng)該保持孔內(nèi)干凈以保證有效測量深度。

6.2.2 數(shù)據(jù)處理及解釋

本次跨孔CT數(shù)據(jù)采用Geogiga XW Tomo軟件處理，通過拾取初至，然后建立模型進(jìn)行反演，最終得到速度影像(如圖9和圖10所示)。從圖9和圖10中可以看出，地震波CT能夠很好地反映地下介質(zhì)的速度差異。覆蓋層與基巖速度差異很大，在CT剖面上反映為低速區(qū)與高速區(qū)分界線明顯。由于巖溶發(fā)育區(qū)與基巖速度差異明顯，在剖面CT10、CT11、CT12、CT13上反映為速度色譜的突變，而這種突變區(qū)域就是巖溶發(fā)育區(qū)。 由圖9和圖10可以看出橋址區(qū)巖溶發(fā)育，溶洞詳細(xì)參數(shù)如表1所示。經(jīng)過與鉆孔資料進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)鉆孔揭示的實際地層信息與地震CT反演的推測結(jié)果吻合，充分說明巖溶及裂隙發(fā)育的空間位置判斷準(zhǔn)確，從而為橋墩的設(shè)計施工提供了有效的地球物理依據(jù)。

圖9 CT10、CT11解釋剖面Fig.9 Interpretation profiles of CT10 and CT11

圖10 CT12、CT13解釋剖面Fig.10 Interpretation profiles of CT12 and CT13

表1 溶洞相關(guān)參數(shù)

續(xù)表1

7 結(jié) 論

1)跨孔地震CT技術(shù)在橋梁基礎(chǔ)勘察中的應(yīng)用表明，跨孔地震CT技術(shù)可以查明基巖面的埋深、起伏形態(tài)以及地下溶洞的位置和大小等信息。該技術(shù)確定了橋墩基礎(chǔ)持力層的軟硬程度，為樁基的設(shè)計、施工以及樁型的選擇提供了可靠的地球物理依據(jù)，為巖溶區(qū)域的施工和設(shè)計提供了安全保障，避免了工程隱患的發(fā)生，降低了工程造價。

2)數(shù)據(jù)采集過程中，為了確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，應(yīng)該結(jié)合實際工區(qū)情況、探測目標(biāo)及精度，合理地選擇接收孔距和接收范圍。

3)在對跨孔地震CT數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋時，應(yīng)該結(jié)合鉆孔資料，避免由于誤差積累而導(dǎo)致的解譯偏差。